DE2502515A1 - Photosynthesereaktor und dessen verwendung - Google Patents

Description

L¥/XI

22. Januar 1975

Miko Osono

Kikunodai 3-7-53, Chofu City, Tokyo / Japan Shoji Ichimura

Ejiri 1265-5, Takaoka City, Toyama Prefecture, Japan

Photosynthesereaktor und dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft einen Photosynthesereaktor in Form eines verschlossenen Doppeltarifs. Die Erfindung betrifft ausserdem die Verwendung dieses Reaktors für die Züchtung von Griinalgenkultüren«

Die zum technischen Kultivieren von Grünalgen des photosynthetischen Typs, insbesondere zur Kultivierung von Chlorella, bekannten Verfahren können einer der beiden folgenden Gruppen zugeordnet Werdens (i) Die Kultur wird zunächst in Aussenbecken unter Zusatz organischer Säuren, wie beispielsweise Essigsäure, als Kohlenstoffquelle gezogen und dann natürlichem Licht ausgesetzt| und (2) das autotrophe Verfahren, nach dem die Kultur ohne Licht— einwirkung in einem Tank unter Zusatz von Glucose als Kohlenstoffquelle gezogen wird.

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Nach, dem zweiten Verfahren kultivierte Chlorellakulturen weisen eine qualitativ wesentlich schlechtere Proteinzusammensetzung als jene Chlorellakulturen auf, die nach dem ersten Verfahren erhalten werden. Die nach dem zweiten Verfahren gezüchteten Kulturen weisen auch eine wesentlich geringere Ausbeute an physiologisch aktiven Substanzen auf als die nach dem ersten Verfahren gezüchteten Kulturen. Unter solchen physiologisch aktiven Substanzen werden dabei solche Substanzen verstanden, die das Wachstum von Mikroorganismen fördern und zeilaktivierend sind. Aus diesen Gründen ist also eine Kultivierung von Chlorella im speziellen und von Grünalgen im allgemeinen vorzugsweise unter Lichteinwirkung durchzuführen.

Das als erstes Verfahren genannte Kultivierungsverfahren, nämlich das kombinierte Verfahren, weist jedoch ebenfalls zahlreiche Nachteile aufs (i) Die Kulturflüssigkeit wird durch in der Atmosphäre und im Regenwasser enthaltene Bakterien kontaminiert; (2) die Kultivierungsbedingungen sind witterungsabhängig; (3) uni die Kultur flüssig zu halten, müssen relativ grosse Flächen zur Verfugung gestellt werden, da die Tiefe der Becken zur Gewährleistung einer gleichmässigen Belichtung 30 cm nicht übersteigen darf; (k) die Ausnutzung von Kohlendioxid als Nährstoff ist nur relativ gering; (5) eine automatische Regelung oder Steuerung der Kulturprozesse ist schwierig und (6) Erosionen in den Aussenbecken können zu erheblichen Verschlechterungen der Chlorellakulturen führen.

In den üblichen Chlorellakulturen ist die Kulturflüssigkeit im wesentlichen auf der Basis anorganischer Salze aufgebaut. Jedoch selbst bei Verwendung von Harnstoff als Stickstoffquelle weisen die eingesetzten Kulturflüssigkeiten beachtliche Bakterienmengen auf. Darüber hinaus sind solche Chlorellakulturmedien häufig durch die mit dem Regenwasser

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mitgespülten Schwermetalle verunreinigt, die aus der kontaminierten Atmosphäre ausgewaschen werden. Prinzipiell kann zwar die Bakterienkonzentration in den Kulturflüssig— keiten durch eine Wärmebehandlung, beispielsweise in Dünnschichterhitzern, vermindert werden, jedoch wird in der Regel durch eine solche Behandlung auch der Nährfaktor und damit die beabsichtigte Wirkung der Flüssigkeit auf die Chlorellakultur vermindert.

Die Freiluftkultur birgt ausserdem eine Reihe weiterer Nachteile. So schreitet die Photosynthese beispielsweise während der Nacht ohne künstliche Beleuchtung nicht fort, so dass für gleiche absolute Wachstumswerte längere Verweilzeiten erforderlich sind. Ausserdem wird durch die Nachtperioden der Wachstumswxrkungsgrad, bezogen auf die zugesetzten Nährstoffe, vermindert, da aufgrund des AbSinkens der Umgebungstemperatur die während des Tages aufgebaute organische Materie während der Nachtzeit teilweise wieder verbraucht wird. Um ein Verderben der Chlore llakultür zu vermeiden, muss diese auch während der Nacht ausreichend belüftet werden, also beispielsweise gerührt werden, wodurch ein unwirtschaftlicher Faktor in das Verfahren der Freiluftkulturen insofern gelangt, als auch während einer für das Wachstum der Kultur nicht genützten Zeit eine Rührleistung erbracht werden muss.

Die während des Tages auf die Freiluftkulturen einwirkende Lichteinstrahlung ist ausserdem vom Wetter und von den Jahreszeiten abhängig. Eine kontinuierliche Lichtein— strahlung würde andererseits jedoch die Wachstumsgeschwindigkeit hemmen. Auch werden der Kohlenstoffausnutzungsgrad und der Wirkungsgrad der Ausnutzung der Lichtenergie durch eine ununterbrochene Einstrahlung selbst dann ver-

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mindert, wenn die eingestrahlte Lichtraenge an und für sich dem Optimum entspricht.

Zur Verbesserung dieser einander konträren Einflussfaktoren wird eine Lichteinstrahlung in Intervallen bevorzugt. Prinzipiell lässt sich eine solche gesteuerte Lichteinstrahling in Intervallen auch für Kulturen denken, die in •grossflächigen Becken gezogen werden. Eine solche Anlage würde jedoch relsbxv hohe Kosten erfordern und nach wie vor die zuvor genannten Nachteile aufweisen, insbesondere die Kontamination durch die Atmosphäre und das Regenwasser. Ausserdem bleibt für solche Kulturbecken das Problem der Rührung ungelöst. Ausserdem ist der Ausnutzungsgrad des Kohlendioxids so gering, dass das Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle für solche Kulturbecken praktisch nicht in Frage kommt. Als Kohlenstoffquelle in Kulturbecken muss daher eine sehr reine Essigsäure eingesetzt werden. Solche Nährstoffe sind jedoch teuer. Ein Ersatz der Essigsäure durch billigere Substanzen, wie beispielsweise Glucose, Fructose, Mannose oder Maltose, ist zwar prinzipiell möglich, jedoch begünstigen diese Nährstoffe auch das Wachstum der Bakterien, wodurch rückwirkend das Chlorellawachstum gehemmt wird. Auch kann eine mit den vorgenannten Zuckern versetzte Kulturflüssigkeit nicht wiederholt verwendet werden. Schliesslich ist zu beachten, dass die· Chlorellakulturen ausgesprochen pH-empfindlich sind und insbesondere bei pH-Werten von kleiner als 6 rasch verderben. Chlorellakulturen erfordern also zusätzlich eine genaue Überwachung und Regelung des pH-Wertes im Bereich von 6.

Das bekannte Verfahren erfordert also zur Qualitätskontrolle mehrmals täglich eine Prüfung, Aufzeichnung und gegebenenfalls Korrektur einer Reihe von Parametern, beispielsweise der Lufttemperatur, der Wassertemperatur, des pH-Wertes, des

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J?CV—Wertes, der Wassertiefe, des Anteils abgestorbener Zellen, des Verunreinigungsgrades, der Sonneneinstrahlung, der

eingefallenen Regenmenge und des Trockengewichtes der Algen« Durch die Vielfalt dieser zu überwachender und zu steuernder Parameter wird eine automatische Regelung des Verfahrens sehr teuer und fast unmöglich.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die meisten Kulturbecken unter Verwendung von Beton oder Zement hergestellt sind. Langfristig erodieren jedoch diese mit dem Wasser in Berührung stehenden Oberflächen und gelangen aus ihnen herausgelöste Bestandteile in die Kulturflüssigkeit. Diese ausgelösten Bestandteile werden von den Zellen der Chlorella aufgenommen und führen zu ihrem Absterben und zur Verschlechterung der Kultur. Der von den abgestorbenen Chlorellazellen entwickelte üble Geruch'erfordert ein häufiges Reinigen der Kulturbecken.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Photosynthesereaktors, in dem Grünalgen, wie beispielsweise Chlorella, mit einer hervorragenden Proteinzusammensetzung in hoher Reinheit und Sauberkeit rasch gezüchtet werden können. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines solchen Reaktors, in dem Chlorella-Kulturen mit geringsten Kosten gezogen werden können..Dieser Reaktor soll in einfacher Weise eine automatische Prozessregelung ermöglichen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Photosynthesereaktors, der zur photosynthetischen Herstellung von Substanzen, wie beispielsweise Vitamin D und Polypeptiden, dienen kann.

Auch ist es ein Ziel der Erfindung, einen Photosyjathesereaktor zu schaffen, der für die Kultivierung von Grünal*· genkulturen, insbesondere von Gklorreilakultüren, verwendet

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werden kann. Dadurch sollen insbesondere die bekannten Verfahren zur Züchtung von Chlorella wirtschaftlicher, sauberer und technisch effektiver gestaltet werden»

Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Photosynthesereaktor zu schaffen, in dem insbesondere Grünalgen, vor allem Chlorella, wirtschaftlich und technisch optimal gezüchtet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Photosynthesereaktor in Form eines geschlossenen Doppeltanks vorgeschlagen," der erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch einen Innenbehälter zur Aufnahme der Kulturflüssigkeit, wobei der Innenbehälter mindestens ein Düsensystem zur Aufgabe von Nährstoffen, mindestens eine in Intervallen arbeitende Lichtquelle, die dem Tageslicht entsprechendes Licht ausstrahlt, und einen Rührer enthält, und durch einen Aussenbehälter mit Mitteln zur Temperaturregelung.

Die Erfindung schafft also einen geschlossenen Doppeltank zur künstlichen Kultivierung photosynthetischer Substanzen, wie beispielsweise Chlorella. Ein beschleunigtes Wachstum ausserordentlich reiner Kulturen wird durch eine Kombination mehrerer Düsen, die Kohlendioxid—Ammoniak-Gemische in den Reaktor blasen, Lichtquellen für die periodische Einstrahlung eines dem Tageslicht im wesentlichen ähnlichen Lichtes und Rührblättern zum Rühren der Kulturflüssigkeit in einem inneren Behälter und eines äusseren Behälters zur Temperaturregelung erzielt.

Die Erfindung schafft also eine Doppeltankkombination aus einem Innenbehälter, der die Kulturflüssigkeit enthält, und einem Aussenbehälter, in dem zur Temperaturregelung

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Wasser umläuft. Der Innenbehälter ist mit mehreren Düsen ausgerüstet, durch die die Nährstoffe in Form von Gasgemischen, vorzugsweise als Gemisch von Kohlendioxid und Ammoniak eingeblasen werden. Der Innenbehälter weist weiterhin mindestens eine Lichtquelle auf, die ein im wesentlichen dem Tageslicht entsprechendes Licht intermittierend in das Innere des Doppeltanks abstrahlt. Die Kulturflüssigkeit kann durch eine im Inneren des Behälters vorgesehene Rührvorrichtung bewegt werden, wobei der Rührer vorzugsweise ein Blattrührer ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschriebene, Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

teilweise im Schnitt, in Seitensicht und

Fig. 2 wesentliche Teile der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung im Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte geschlossene Doppeltankkonstruktion 1 umfasst einen zylindrischen Innenbehälter 2 und einen zylindrischen Aussenbehälter 3· Eine ringförmige Wasserleitung h ist am Boden des Aussenbehälters so angeordnet, dass beispielsweise über eine Pumpe in einen Zulauf 5 eingedrücktes Wasser durch eine Reihe ■ von Öffnungen 7 in der Wasserleitung k in den Zwischenraum 8 austritt, der zwischen dem inneren Behälter 2 und dem äusseren Behälter 3 gebildet ist«, Im oberen Teil dieses Zwischenraumes 8 ist eine Überlaufleitung 9 vorgesehen, die dem Ablauf des über die Leitung h zugeführten Wassers dient. Eine Ringleitung 10, deren Durchmesser grosser als der Durchmesser der Ringleitung k ist, dient der Zufuhr von Gas in den Innenbehälter und ist mit Düsen

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bestückt, die schräg abwärts gerichtet sind. Zwei Luftleitungen 12 und 12¹ dienen der Luftzufuhr in die Belüftungsringleitungen 1O und 10*. Die beiden Luftleitungen 12 und 12' vereinigen sich ausserhalb der geschlossenen Doppeltankeinheit 1. Die vereinigten Leitungen sind mit einer Gasmischkammer 15 über ein Sicherheitsventil 13 und einen Kompressor 14 verbunden» Mit der Mischkammer 15 sind eine Kohlendioxidbombe 16 und eine Ammoniakbombe 17 verbunden. Das aus den Bomben stammende Kohlendioxid und Ammoniak werden in der Mischkammer 15 homogen gemischt und durch die Düsen 11 und 11* in Form von kleinen Bläschen in die Kulturflüssigkeit 18 im Inneren des Behälters 2 so eingedrückt, dass sie gut mit den anorganischen Nährstoffen in Berührung kommen, dass also ein guter Phasenaustausch gewährleistet ist. Rührblätter 19 sorgen für ein Durchmischen und Rühren der Kulturflüssigkeit 18 im Innenbehälter 2. Die Rührerwelle 20 wird über einen Elektromotor 21 getrieben. Als Lichtquelle 22 dient vorzugsweise eine Xenonlampe, deren Licht weitgehend der spektralen Zusammensetzung des Tageslichtes entspricht.

In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind vier solcher Lichtquellen 22 im wesentlichen in der Mitte der Tiefe des Innenbehälters 2 angeordnet. Jede dieser Lichtquellen 22 ist in einer Doppe!zylinderanordnung 27 untergebracht, die aus einem inneren Tylinder 2k und einem drehbaren äusseren Zylinder 26 besteht. Der innere Zylinder 2k hängt vom Deckelbereich des Behälters in den Innentank 2 herab und weist einen durchsichtigen Mantelbereich 23 auf. Der äussere Zylinder 26 ist mit einem Schlitz 25.versehen. Jede der Lichtquellen 22 ist fest im Inneren des inneren Zylinders 2k gehaltert, der seinerseits am Innenbehälter 2 befestigt ist« Jeder der äusseren Zylinder 26 wird über ein Getriebe 26a in Rotation

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versetzte Das Getriebe 26a wird durch einen in den Figuren nicht gezeigten Antrieb getrieben. Auf diese Weise wird das von der Lichtquelle 22 abgestrahlte Licht intermittie— rend in die verschiedensten Bereiche im Inneren des Tanks 2 eingestrahlt. Über eine Einlassleitung 28 und eine Auslassleitung 29 wird der Raum im inneren Zylinder mit Kühlwasser versorgt, so dass die durch die Lichtquelle entwickelte Wärme nicht in das Innere des Innenbehälters abgeleitet wird.

Die Zylinderanordnung 27 kann aber auch durchsichtig und stationär ausgebildet sein, während die Lichtquelle 22 in Intervallen eingeschaltet wird, so dass die Chlorella— kultur im Innenbehälter 2 in Intervallen mit dem von der Lichtquelle 22 ausgestrahlten Licht bestrahlt werden kann, wodurch das Wachstum der Kultur beschleunigt wird.

Eine Umlaufleitung 30 dient weiterhin dazu, während der Kultivierung im Innenbehälter 2 angesammeltes Gas wieder zur Mischkammer 15 zurückzuführen. Ein Sicherheitsregelventil 31 und eine Sonde 32 zur Messung der Gaskonzentration sind in die Leitung 30 eingeschaltet.

Der Innenbehälter 2 weist weiterhin eine Auslassöffnung und einen Einstieg 35 auf. Im Aussenbehälter 3 ist ebenfalls eine Ablassöffnung 3^ vorgesehene

Die Behälter 2 und 3 (Figuren 1 und 2) können prinzipiell aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das das Wachstum der Algen nicht beeinträchtigt. Als Behältermaterial werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik Metall, Kunststoff oder Beton bevorzugt.

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Claims (5)

1. Patentansprüche-

   Mj Photosynthesereaktor, insbesondere für Grünalgen, in Form eines geschlossenen Doppeltanks, gekennzeichnet durch einen Innenbehälter zur Aufnahme der Kulturflüssigkeit, wobei der Innenbehälter mindestens ein Düsensystem zur Aufgabe von Nährstoffen, mindestens eine in Intervallen arbeitende Lichtquelle, die dem Tageslicht entsprechendes Licht ausstrahlt, und einen Rührer enthält, und durch einen Aussenbehälter mit Mitteln zur Temperaturregelung.
2. 2. Reaktor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Mittel zur Aufgabe von Kohlendioxid und Ammoniak als Nährstoff.
3. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Temperaturregelung mittels Umlaufwasser.
4. 4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch einen Innenbehälter und einen Aussenbehälter in zylindrischer Form.
5. 5. Verwendung des Photo synthe sereaktors nach einem der Ansprüche 1 bis k zur Kultivierung von Grünalgen unter periodischer Belichtung und Einleitung von Kohlendioxid und Ammoniak als Nährstoffe ο

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